（电工理论与新技术专业论文）无线传感器网络中移动节点接入问题研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 ab s t r a c t t h e i n t r o d u c t i o n o f l o w - p o w e r , l o w c o s t w i r e l e s s d e v i c e s h a s a l l o w e d n e t w o r k s t o s u p p o rt f u n c t i o n a l it y b e y o n d s i m p l e c o m m u n i c a t i o n . t r a d i t i o n a l w i r e l e s s n e t w o r k s , c o m p o s e d o f p r i m a r i l y i m m o b i l e u n i t s w i l l b e r e p l a c e d w i t h u n t e t h e r e d n e t w o r k s s u p p o rt i n g a c o m b i n a t i o n o f s t a t i o n a r y a n d m o b i l e n o d e s . i t h a s b e c o m e p o s s ib l e t o e n v i s i o n a n e w p a r a d i g m b y w h i c h a l a r g e g r o u p o f w ir e l e s s n o d e s c a n p a r t i c ip a t e i n t a s k s s u c h a s h i g h - r a t e m o b i l e m u l t i m e d i a d a t a t r a n s f e r , e n v i r o n m e n t a l s e n s i n g a n d s a m p l i n g , h o m e l a n d s e c u r it y a n d d e f e n s e , a n d h e a l t h m o n i t o r i n g . a h y b r i d a d - h o c s e n s o r n e t w o r k ( h a n e t ) i s p r e s e n t e d , c o n s i s t i n g o f b o th m o b i l e a n d s t a t i o n a r y n o d e s . wi r e l e s s s e n s o r s i n t h i s d o m a i n c o n s i s t o f d e n s e l y d i s t r i b u t e d , l o w - p o w e r , e n e r g y c o n s t r a i n e d s t a t i o n a r y s e n s o r s , w h i c h a r e a b l e t o f o r m ma c l e v e l c o n n e c t i o n s a n d n e t w o r k l e v e l m u l t i - h o p r o u t e s a t r u n t im e . t h e l i m it e d e n e r g y s u p p l i e s a n d t h e i n t e r a c t i o n o f s p a r s e m o b i l e n o d e s i m p o s e s t r i n g e n t r e q u i r e m e n t s f o r l o w - c o m p l e x i t y , lo w - e n e r g y , d i s t r i b u t e d p r o t o c o l d e s i g n . t h e e a r p r o t o c o l ( e a v e s d r o p a n d r e g i s t e r ) ass u m e s a m o b i l e - c e n t r i c v i e w o f c o n n e c t i o n m a i n t e n a n c e , as t h e m o b i l e n o d e s a r e a s s u m e d t o h a v e f e w e r c o n s t r a i n t s o n e n e r g y s u p p l i e s a s c o m p a r e d t o t h e s t a t i o n a ry n o d e s . t h e m o b i l e n o d e f o r m s a r e g i s t ry b a s e d o n e a v e s d r o p p i n g t h e s i g n a l s n a t i v e t o t h e s t a t i o n a ry n e t w o r k s ma c p r o t o c o l s . o n t h i s p a p e r , w e a r e b a s e d o n t h e e a r p r o t o c o l a n d s i m u l a t e i t , a l s o w e t h e p r o v e d m e t h e d i s p re s e n t e d . k e y wo r d s : a h y b r i d a d - h o c s e n s o r n e t w o r k ; m o b i l e n o d e ; s t a t i o n a r y n o d e s ; w ir e l e s s s e n s o r n e t w o r k ; e a v e s d r o p a n d r e g i s t e r p r o t o c o l 11 - 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 集成了传感器、 微机电系统和网络三大技术而形成的传感器网 络是一种全新 的 信 息 获 取 和 处 理 技 术 ， 无 线 传 感 器网 络( w ir e le s s s e n s o r n e t w o r k , w s n ) n ,2 具 有自 组织能力 ( s e l f - o r g a n i z a t i o n ) ， 这是一种连接嵌入传感器、 激励源和处理器 的 无线a d h o c 网 络3 1 ， 可以 广泛应 用于军 事和民 用环境， 进行信息收集和处 理、 对象跟踪和网络环境的监测， 尤其适合配置在野外、 交通要道和安全部门等场合。 图1 . 1 形象表示了传感器节点分布的传感网络图。 任务管理处 用户 图1 . 1传感器网络构架 普遍网 络化孕育的传感器网络是一种新的信息获取和处理技术。 这种无线网 络和数据网络的结合将导致一种新的计算范例， 即和以前的计算机网 络相比， 它 更多以通信为中心， 无线传感器网 络是快速发展的信息技术的产物， 它正从传统 桌上型电脑构成的有线网络结构中脱离，朝着更普遍更广泛的信息连接模式发 展， 在特殊领域， 它有着传统技术不可比拟的优势， 同时也必将开展不少新颖而 有价值的商业应用。 1 . 1课题来源 国外对传感器网络的研究越来越多， 研究内容主要集中在路由和网络的建 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 集成了传感器、 微机电系统和网络三大技术而形成的传感器网 络是一种全新 的 信 息 获 取 和 处 理 技 术 ， 无 线 传 感 器网 络( w ir e le s s s e n s o r n e t w o r k , w s n ) n ,2 具 有自 组织能力 ( s e l f - o r g a n i z a t i o n ) ， 这是一种连接嵌入传感器、 激励源和处理器 的 无线a d h o c 网 络3 1 ， 可以 广泛应 用于军 事和民 用环境， 进行信息收集和处 理、 对象跟踪和网络环境的监测， 尤其适合配置在野外、 交通要道和安全部门等场合。 图1 . 1 形象表示了传感器节点分布的传感网络图。 任务管理处 用户 图1 . 1传感器网络构架 普遍网 络化孕育的传感器网络是一种新的信息获取和处理技术。 这种无线网 络和数据网络的结合将导致一种新的计算范例， 即和以前的计算机网 络相比， 它 更多以通信为中心， 无线传感器网 络是快速发展的信息技术的产物， 它正从传统 桌上型电脑构成的有线网络结构中脱离，朝着更普遍更广泛的信息连接模式发 展， 在特殊领域， 它有着传统技术不可比拟的优势， 同时也必将开展不少新颖而 有价值的商业应用。 1 . 1课题来源 国外对传感器网络的研究越来越多， 研究内容主要集中在路由和网络的建 西北工业大学硕士学位论文 立， 但是很少涉及到移动节点进入网络的问题。 随着传感器技术、 信号处理技术 和网络技术的发展， 像传统网络发展一样， 固定的网络已 不再满足需要， 很多情 况下， 需要节点移动或者网络外面的节点进入该网络， 移动节点的引入可以拓宽 网络空间采样能力， 例如， 当采集完数据， 这些移动节点可以作为信息源， 或在 军事应用上作为信息槽来抽取数据， 这种网络区别于一般的无线传感器网络或移 动a d h o c 网络，因其既含有静止节点又有移动节点，称其为混合a d h o c 无线传 感 器网 络， 也 就 是 新 提出 的h a n e t s 网 络( a h y b r i d a d h o c s e n s o r n e t w o r k ) . 当一个或多个移动节点在网 络内移动， 其需要与网络中邻近的静态节点建立、 保 持连接，到最后离开该网络，这一系列过程需要设定一个新的协议来完成。 1 .2研究内 容及研究方向 1 . 2 . 1 研究内容 h a n e t s 网络是包含移动和静止传感器节点的无线a d h o c传感器网络形式 的一种。 它由无线静态网络和一些无线移动节点组成， 无线静态网络中节点是密 集的、 任意分布的。 假定节点己经设计好， 研究内容包括静止节点形成网络，移 动节点进入网络和网络重组以及路由问题。 本课题就是研究当移动节点进入静态 网络，怎样与已形成的网络建立、维持和断开连接等情况。 对于这种网络， 节点 能量不可能随意更换， 特别是当移动节点引入该网络保持连接时将增加静态节点 的能量损耗， 因此延长传感器网 络的寿命很关键， 同时由于整个网络要完成其传 感任务和网络操作， 移动节点所采用的协议必须对静态网络的协议是透明的， 因 此，需要开发一种新的协议来控制移动节点和静态网络在ma c层的相互作用。 1 .2 . 2 研究方向 本设计主要是研究移动节点怎样与无线静态传感器网络建立， 维持和释放连 接，同时减少静止节点的能量消耗， 由 于移动节点加入到静止的传感器网络，扩 充了系统的功能， 但我们不能认为每个移动节点都能察觉到全网络的状态和静止 节点的位置，同样的， 移动节点为保持静止状态， 不可能都完成它的任务 ( 数据 采集、网络指令、信息提取) ，因 此需要一种新的协议保证在移动和静止两种情 西北工业大学硕士学位论文 立， 但是很少涉及到移动节点进入网络的问题。 随着传感器技术、 信号处理技术 和网络技术的发展， 像传统网络发展一样， 固定的网络已 不再满足需要， 很多情 况下， 需要节点移动或者网络外面的节点进入该网络， 移动节点的引入可以拓宽 网络空间采样能力， 例如， 当采集完数据， 这些移动节点可以作为信息源， 或在 军事应用上作为信息槽来抽取数据， 这种网络区别于一般的无线传感器网络或移 动a d h o c 网络，因其既含有静止节点又有移动节点，称其为混合a d h o c 无线传 感 器网 络， 也 就 是 新 提出 的h a n e t s 网 络( a h y b r i d a d h o c s e n s o r n e t w o r k ) . 当一个或多个移动节点在网 络内移动， 其需要与网络中邻近的静态节点建立、 保 持连接，到最后离开该网络，这一系列过程需要设定一个新的协议来完成。 1 .2研究内 容及研究方向 1 . 2 . 1 研究内容 h a n e t s 网络是包含移动和静止传感器节点的无线a d h o c传感器网络形式 的一种。 它由无线静态网络和一些无线移动节点组成， 无线静态网络中节点是密 集的、 任意分布的。 假定节点己经设计好， 研究内容包括静止节点形成网络，移 动节点进入网络和网络重组以及路由问题。 本课题就是研究当移动节点进入静态 网络，怎样与已形成的网络建立、维持和断开连接等情况。 对于这种网络， 节点 能量不可能随意更换， 特别是当移动节点引入该网络保持连接时将增加静态节点 的能量损耗， 因此延长传感器网 络的寿命很关键， 同时由于整个网络要完成其传 感任务和网络操作， 移动节点所采用的协议必须对静态网络的协议是透明的， 因 此，需要开发一种新的协议来控制移动节点和静态网络在ma c层的相互作用。 1 .2 . 2 研究方向 本设计主要是研究移动节点怎样与无线静态传感器网络建立， 维持和释放连 接，同时减少静止节点的能量消耗， 由 于移动节点加入到静止的传感器网络，扩 充了系统的功能， 但我们不能认为每个移动节点都能察觉到全网络的状态和静止 节点的位置，同样的， 移动节点为保持静止状态， 不可能都完成它的任务 ( 数据 采集、网络指令、信息提取) ，因 此需要一种新的协议保证在移动和静止两种情 西北工业大学硕士学位论文 立， 但是很少涉及到移动节点进入网络的问题。 随着传感器技术、 信号处理技术 和网络技术的发展， 像传统网络发展一样， 固定的网络已 不再满足需要， 很多情 况下， 需要节点移动或者网络外面的节点进入该网络， 移动节点的引入可以拓宽 网络空间采样能力， 例如， 当采集完数据， 这些移动节点可以作为信息源， 或在 军事应用上作为信息槽来抽取数据， 这种网络区别于一般的无线传感器网络或移 动a d h o c 网络，因其既含有静止节点又有移动节点，称其为混合a d h o c 无线传 感 器网 络， 也 就 是 新 提出 的h a n e t s 网 络( a h y b r i d a d h o c s e n s o r n e t w o r k ) . 当一个或多个移动节点在网 络内移动， 其需要与网络中邻近的静态节点建立、 保 持连接，到最后离开该网络，这一系列过程需要设定一个新的协议来完成。 1 .2研究内 容及研究方向 1 . 2 . 1 研究内容 h a n e t s 网络是包含移动和静止传感器节点的无线a d h o c传感器网络形式 的一种。 它由无线静态网络和一些无线移动节点组成， 无线静态网络中节点是密 集的、 任意分布的。 假定节点己经设计好， 研究内容包括静止节点形成网络，移 动节点进入网络和网络重组以及路由问题。 本课题就是研究当移动节点进入静态 网络，怎样与已形成的网络建立、维持和断开连接等情况。 对于这种网络， 节点 能量不可能随意更换， 特别是当移动节点引入该网络保持连接时将增加静态节点 的能量损耗， 因此延长传感器网 络的寿命很关键， 同时由于整个网络要完成其传 感任务和网络操作， 移动节点所采用的协议必须对静态网络的协议是透明的， 因 此，需要开发一种新的协议来控制移动节点和静态网络在ma c层的相互作用。 1 .2 . 2 研究方向 本设计主要是研究移动节点怎样与无线静态传感器网络建立， 维持和释放连 接，同时减少静止节点的能量消耗， 由 于移动节点加入到静止的传感器网络，扩 充了系统的功能， 但我们不能认为每个移动节点都能察觉到全网络的状态和静止 节点的位置，同样的， 移动节点为保持静止状态， 不可能都完成它的任务 ( 数据 采集、网络指令、信息提取) ，因 此需要一种新的协议保证在移动和静止两种情 西北工业大学硕士学位论文 况下均能为这些移动节点提供持续的服务， 在许多场合下， 人们主要关心的是能 量和带宽的问题，这就需要移动节点与可能多的传感器网络中的静止节点连接， 即需要设计这样一种系统: 移动节点完全负责建立和中断通信链路， 同时其应该 是高效节能。 这就要求设计能够保证移动节点和静态网络进行无缝连接， 能够进 行移动管理的一种新算法。 目 前针对该 种网 络 研究 很 少， 仅 u c l a 大学的 j a y g a o , v i s h a l a i l a w a d h i 提出 一 种算法是:侦听和登记算法即 e a r 算法 ( e a v e s d r o p a n d r e g i s t e r a l g o r i t h m ) ， 本设计就是对该算法验证仿真的基础上， 提出改进方案， 通过仿真， 将改进后的 方案和原先的方案作一对比。 1 . 3本文结构安排 本文从下一章开始正文内容，首先简要介绍无线传感器网络体系结构，包括 节点组成原理， 并且说明该网络的特点以及其应用领域和对无线传感器网络的研 究现状作一概述， 包括对网络层和数据链路层的研究状况， 通过这章的介绍， 读 者可以 对无线传感器网络有一个全面的认识， 从第三章开始主要围绕本文的研究 方向， 即实现移动节点与现有无线网络的通信。 首先简单的介绍引入移动节点后 其技术特征， 将该网络和现有的包含移动节点的网络对比， 从而得出要设计出新 的协议实现此种网络的连接， 在提出算法之前， 简要介绍本设计中所用的仿真软 件: u c l a的p a e s e c ( a p a r a l l e l s im u l a t i o n e n v i o r n m e n t f o r c o m p l e x s y s t e m s ) . 该软件有自己的语言体系结构， 其是基于 c的离散仿真语言，建立在并行算法 基础上， 具有通过使用几种不同的异步并行仿真协议达到在不同的并行结构上执 行离 散事件的 能 力。 实 际中 的 物理 处 理器 ( p p , p h y s i c a l p r o c e s s ) 由 逻辑处 理器 ( l p . l o g i c a l p r o c e s s ) 来 代 替， p p 间 的 相 互 作 用 ( 事 件) 通 过 在l p 间 传 送带 有时间标记( t i m e s t a m p s ) 的 信息 ( m e s s a g e ) 来实现。 p a r s e c语言是基于c ，由 c函 数和实 体 e n t i t y ) 组 成， 语法 很容易掌握， 同时 经 过验证， 其仿 真速度特 别是应用与大型系统仿真时，速度要比类似 o p e n e t , n s - 2 等网络仿真软件快 得多。 目 前这一软件还没有在国内应用起来， 希望此文可以为从事网络协议设计 的研究者提供借鉴， 推动该网络软件在国内的广泛应用。 从第五章开始介绍 e a r 西北工业大学硕士学位论文 况下均能为这些移动节点提供持续的服务， 在许多场合下， 人们主要关心的是能 量和带宽的问题，这就需要移动节点与可能多的传感器网络中的静止节点连接， 即需要设计这样一种系统: 移动节点完全负责建立和中断通信链路， 同时其应该 是高效节能。 这就要求设计能够保证移动节点和静态网络进行无缝连接， 能够进 行移动管理的一种新算法。 目 前针对该 种网 络 研究 很 少， 仅 u c l a 大学的 j a y g a o , v i s h a l a i l a w a d h i 提出 一 种算法是:侦听和登记算法即 e a r 算法 ( e a v e s d r o p a n d r e g i s t e r a l g o r i t h m ) ， 本设计就是对该算法验证仿真的基础上， 提出改进方案， 通过仿真， 将改进后的 方案和原先的方案作一对比。 1 . 3本文结构安排 本文从下一章开始正文内容，首先简要介绍无线传感器网络体系结构，包括 节点组成原理， 并且说明该网络的特点以及其应用领域和对无线传感器网络的研 究现状作一概述， 包括对网络层和数据链路层的研究状况， 通过这章的介绍， 读 者可以 对无线传感器网络有一个全面的认识， 从第三章开始主要围绕本文的研究 方向， 即实现移动节点与现有无线网络的通信。 首先简单的介绍引入移动节点后 其技术特征， 将该网络和现有的包含移动节点的网络对比， 从而得出要设计出新 的协议实现此种网络的连接， 在提出算法之前， 简要介绍本设计中所用的仿真软 件: u c l a的p a e s e c ( a p a r a l l e l s im u l a t i o n e n v i o r n m e n t f o r c o m p l e x s y s t e m s ) . 该软件有自己的语言体系结构， 其是基于 c的离散仿真语言，建立在并行算法 基础上， 具有通过使用几种不同的异步并行仿真协议达到在不同的并行结构上执 行离 散事件的 能 力。 实 际中 的 物理 处 理器 ( p p , p h y s i c a l p r o c e s s ) 由 逻辑处 理器 ( l p . l o g i c a l p r o c e s s ) 来 代 替， p p 间 的 相 互 作 用 ( 事 件) 通 过 在l p 间 传 送带 有时间标记( t i m e s t a m p s ) 的 信息 ( m e s s a g e ) 来实现。 p a r s e c语言是基于c ，由 c函 数和实 体 e n t i t y ) 组 成， 语法 很容易掌握， 同时 经 过验证， 其仿 真速度特 别是应用与大型系统仿真时，速度要比类似 o p e n e t , n s - 2 等网络仿真软件快 得多。 目 前这一软件还没有在国内应用起来， 希望此文可以为从事网络协议设计 的研究者提供借鉴， 推动该网络软件在国内的广泛应用。 从第五章开始介绍 e a r 西北工业大学硕士学位论文 算法，其流程图，在第六章主要提出改进措施，同时将这两种方案用 p a e s e c 实现，比较其结果，最后给出本文的总结。 西北工业大学硕士学位论文 第二章 无线传感器网络简介 近年来，随着无线通信，集成电路，传感器以及微机电系统 ( m e m s , m ic r o - e le c t r o - m e c h a n i s m s y s t e m ) 等 技 术的 飞 速 发 展， 使 得 微型 无 线 传 感 器具 有 无线通信、 数据采集和处理协同合作等功能， 无线传感器网络就是由 许多这些传 感器节点协同组织起来的， 能够获取周围环境信息并且相互协同工作完成特定任 务的一种网络。 无线传感器网络被认为是 2 1 世纪最重要的技术之一，它将对人类未来的生 活方式产生深远影响， 本章第一部分简要介绍传感器节点组成及其工作原理， 接 着介绍无线传感器网络的特点和应用， 最后概述无线传感器网络的研究现状， 使 我们对传感器网络有更深的认识。 2 . 1无线传感器网络体系结构 2 . 1 . 1无线传感器网络节点 无线传感器网络由 大量体积小， 成本低， 具有无线通信、 传感、数据处理能 力的传感器节点组成的， 传感器节点一般由 传感单元， 收发单元， 电源单元等功 能模块组成，如图2 . 1 。此外根据应用的需要，可能还会有定位系统，电源再生 单元和移动单元等。 传感器 k d 转换发射器 存储器 电 源 单 元 电 源 再 生单元 图2 . 1传感器节点组成 被监测物理信号的形式决定了传感器的类型，通过测量所在周边环境中的 热， 红外， 声纳， 雷达和地震波信号， 从而探测包括温度， 湿度， 噪声， 光强度， 西北工业大学硕士学位论文 第二章 无线传感器网络简介 近年来，随着无线通信，集成电路，传感器以及微机电系统 ( m e m s , m ic r o - e le c t r o - m e c h a n i s m s y s t e m ) 等 技 术的 飞 速 发 展， 使 得 微型 无 线 传 感 器具 有 无线通信、 数据采集和处理协同合作等功能， 无线传感器网络就是由 许多这些传 感器节点协同组织起来的， 能够获取周围环境信息并且相互协同工作完成特定任 务的一种网络。 无线传感器网络被认为是 2 1 世纪最重要的技术之一，它将对人类未来的生 活方式产生深远影响， 本章第一部分简要介绍传感器节点组成及其工作原理， 接 着介绍无线传感器网络的特点和应用， 最后概述无线传感器网络的研究现状， 使 我们对传感器网络有更深的认识。 2 . 1无线传感器网络体系结构 2 . 1 . 1无线传感器网络节点 无线传感器网络由 大量体积小， 成本低， 具有无线通信、 传感、数据处理能 力的传感器节点组成的， 传感器节点一般由 传感单元， 收发单元， 电源单元等功 能模块组成，如图2 . 1 。此外根据应用的需要，可能还会有定位系统，电源再生 单元和移动单元等。 传感器 k d 转换发射器 存储器 电 源 单 元 电 源 再 生单元 图2 . 1传感器节点组成 被监测物理信号的形式决定了传感器的类型，通过测量所在周边环境中的 热， 红外， 声纳， 雷达和地震波信号， 从而探测包括温度， 湿度， 噪声， 光强度， 西北工业大学硕士学位论文 压力，土壤成分，移动物体的大小，速度和方向等众多人们感兴趣的物质现象。 2 . 1 .2无线传感器网 络体系 无线传感器网络与传统的无线网络 ( 如 wl a n和蜂窝移动电话网络)有着 不同的设计目 标， 后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化 带宽的利用率，同时为用户提供一定的 服务质量保证 ( q o s ) 。 在无线传感器网 络中，除了少数节点需要移动外， 大部分节点都是静止的，因为它们通常运行在 人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中， 能源无法代替， 因此设计有效的策略 延长网络寿命周期成为无线传感器网络的核心问 题。 图2 . 2 给出传感器网络体系 结构一般形式的描述4 - 6 1 图2 . 2传感器网 络的 体系结构 在无线传感器网络中， 传感器节点被任意散落在被检测区域内， 每个传感器 节点的功能基本相同， 节点以自 组织形式构成网络， 通过多跳中继方式将检测数 据传到s i n k 节点，最终借助长距离或临时建立的s in k 链路将整个区域内的数据 传送到远程中心进行集中处理。 2 .2无线传感器网络的特点 近几年， 由 于使用i n t e rn e t 服务交换数据导致无线数据网络成长起来。 w l a n 就是一个很好的例子:最初的wl a n标准，8 0 2 . 1 1 仅有2 mb / s 的数据吞吐率， 西北工业大学硕士学位论文 压力，土壤成分，移动物体的大小，速度和方向等众多人们感兴趣的物质现象。 2 . 1 .2无线传感器网 络体系 无线传感器网络与传统的无线网络 ( 如 wl a n和蜂窝移动电话网络)有着 不同的设计目 标， 后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化 带宽的利用率，同时为用户提供一定的 服务质量保证 ( q o s ) 。 在无线传感器网 络中，除了少数节点需要移动外， 大部分节点都是静止的，因为它们通常运行在 人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中， 能源无法代替， 因此设计有效的策略 延长网络寿命周期成为无线传感器网络的核心问 题。 图2 . 2 给出传感器网络体系 结构一般形式的描述4 - 6 1 图2 . 2传感器网 络的 体系结构 在无线传感器网络中， 传感器节点被任意散落在被检测区域内， 每个传感器 节点的功能基本相同， 节点以自 组织形式构成网络， 通过多跳中继方式将检测数 据传到s i n k 节点，最终借助长距离或临时建立的s in k 链路将整个区域内的数据 传送到远程中心进行集中处理。 2 .2无线传感器网络的特点 近几年， 由 于使用i n t e rn e t 服务交换数据导致无线数据网络成长起来。 w l a n 就是一个很好的例子:最初的wl a n标准，8 0 2 . 1 1 仅有2 mb / s 的数据吞吐率， 西北工业大学硕士学位论文 压力，土壤成分，移动物体的大小，速度和方向等众多人们感兴趣的物质现象。 2 . 1 .2无线传感器网 络体系 无线传感器网络与传统的无线网络 ( 如 wl a n和蜂窝移动电话网络)有着 不同的设计目 标， 后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化 带宽的利用率，同时为用户提供一定的 服务质量保证 ( q o s ) 。 在无线传感器网 络中，除了少数节点需要移动外， 大部分节点都是静止的，因为它们通常运行在 人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中， 能源无法代替， 因此设计有效的策略 延长网络寿命周期成为无线传感器网络的核心问 题。 图2 . 2 给出传感器网络体系 结构一般形式的描述4 - 6 1 图2 . 2传感器网 络的 体系结构 在无线传感器网络中， 传感器节点被任意散落在被检测区域内， 每个传感器 节点的功能基本相同， 节点以自 组织形式构成网络， 通过多跳中继方式将检测数 据传到s i n k 节点，最终借助长距离或临时建立的s in k 链路将整个区域内的数据 传送到远程中心进行集中处理。 2 .2无线传感器网络的特点 近几年， 由 于使用i n t e rn e t 服务交换数据导致无线数据网络成长起来。 w l a n 就是一个很好的例子:最初的wl a n标准，8 0 2 . 1 1 仅有2 mb / s 的数据吞吐率， 西北工业大学硕士学位论文 最受欢迎的8 0 2 . 1 1 b 为1 1 m b / s ， 接着8 0 2 . 1 1 a 也进入了市场。 个人无线网( wp a n s , w ir e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k s ) ， 采 用 无固 定 结 构 ， 其 通 信 链 路 仅 仅 在1 0 米内 。 另 一 种形式为:h o m e r f ，数据速率为8 0 0 k b / s ;蓝牙数据率为1 mb / s ; 8 0 2 . 1 5 , 最大数据率为5 5 m b / s . 然而另一种潜在的无线网 络应用， 如工业监控， 家庭消费自 动化，军队远程 控制， 农业移植， 车辆通信业务，商业安全， 医疗监测， 这些应用不需要很高的 数据传输率， 通常仅用几个b i t s / d a y ，由 于这些低数据应用都包括传感，因此称 这种网络为无线传感器网络，一个好的无线传感器网络必须具备以下几个特征: 1 .低功耗。 无线传感器网络典型要求网络元件的平均功耗比现存无线网络如蓝 牙要低的多。 应用于监测和控制的传感器要求其电池可以维持足够长时间以 完成任务 不实际的 。 如当用于大面积环境监测时， 需要很多器件， 频繁的更换电池是 2 .低成本。 成本对于无线传感器网络来说很重要， 特别是当网络中含有大量节 点时，此衡量标准更为重要。 3 .广泛的适应性。 4 .网络形状。 传统的星形网络采用一个主机和几个或多个从器件就可满足很多 应用。但是由于此网络器件传输功率的限制，网络形状要支持多跳路由。 5 .数据吞吐率。如上面提到的，相对于蓝牙和wl a n等，无线传感器网络对 数据吞吐率要求不高。 6 .信息潜伏期长。由于其不支持同步通信，不能进行实时的音频和视频传输， 因此， 对信息的延迟要求是很宽松的， 在有些情况下， 延迟几分钟也是可以 接受的。 7 移动性。无线传感器网络一般不需要节点移动。 传感器网络与传统网络有着明显不同的技术要求: 前者以数据为中心，后者 以传输数据为目 的。为了适应广泛的应用程序，传统网络设计遵循着 “ 端到端” 的边缘论思想， 强调将一切与功能相关的处理都放在网 络的端系统上， 中间节点 仅仅负责数据分组的转发。 对于传感器网络来说， 这未必是一种合理的选择， 一 些为自 组织a d - h o e 网络设计的协议和算法未必适合传感器网络的特点和应用的 要求，因此需要了解传感器网络的特点， 从而设计适合此网络的协议。 特点具体 西北工业大学硕士学位论文 如 下 6 - 9 1 ( 1 )传感器网络的节点数量大，密度高 由于传感器网 络节点的微型化， 每个节点的 通信和传感半径有限， 一般为几 十米范围之内， 而且为了节能， 传感器节点大部分时间处于睡眠状态， 所以 往往 通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量， 传感器网络的节点数量和密度都 要比a d h o 。 网络高几个数量级，可达到每平方米上百个节点的密度，甚至多到 无法为单个节点分配统一的物理地址。 这会带来一系列问题， 如信号冲突， 信息 的有效传送路径的选择，大量节点之间如何协同工作等。 ( 2 )传感器节点有一定的故障率 由于传感器网络可能工作在恶劣的外界环境中，网络中的节点可能会由于各 种不可预料的原因而失效， 为了 保证网络的正常工作， 要求传感器网络必须具有 一定的容错能力，允许传感器节点具有一定的故障率. 1之 间的随机数，如果大于闽值 t ，则选该节点为聚类首领。t的计算方法如下: t = 一 一 一 竺 生 一 一 1 一 p r m o d ( 1 / p ) 一】 5- 西北工业大学硕士学位论文 其中 p为节点中 成为聚类首领的百分数， : 是当前的轮数，一旦聚类首领被选 定， 它们便主动向所有节点广播这一消息， 依据接收信号的强度， 节点选择它所 要加入的组， 并告知相应的聚类首领。 基于时分复用的方式， 聚类首领为其中的 每个成员分配通信时隙。 在稳定工作阶段， 节点持续采集监测数据， 传与聚类首 领， 进行必要的融合处理之后，发送到 s i n k节点，这是一种减小通信业务量的 合理工作模式。 持续一段时间以后， 整个网络进入下一轮工作周期， 重新选择聚 类首领。 ( 2 ) t e e n ( t h r e s h o ld s e n s it iv e e n e r g y e f f ic ie n t s e n s o r n e t w o r k p r o t o c o l) 13 v 1 依照应用模式的不同， 通常可以 简单地将无线自 组织网 络( 包括传感器网 络 和 a d - h o c网 络) 分为主动( p r o a c t i v e ) 和响应( r e a c t i v e ) 两种类型。主动型传感器网 络持续监测周围的物质现象， 并以恒定速率发送监测数据; 而响应型传感器网络 只是在被观测变量发生突变时才传送数据。 相比之下， 响应型传感器网络更适合 应用在敏感时间的应用中.t e e n和 l e a c h 的实现机制非常相似，只是前者是 响应型的， 而后者属于主动型传感器网络. 在 t e e n中定义了硬、软两个门限值， 以 确定是否需要发送监测数据。 当监测数据第一次超过设定的硬门限时， 节点用 它作为新的硬门限， 并在接着到来的时隙内发送它。 在接下来的过程中， 如果监 测数据的变化幅度大于软门限界定的范围， 则节点传送最新采集的数据， 并将它 设定为新的硬门限。 通过调节软门限值的大小， 可以在监测精度和系统能耗之间 取 得 合 理的 平 衡。 n s 2 平台 上 的 仿 真 研究 结 果 表明 4 0 : t e e n比l e a c h更 有 效。 ( 3 ) p e g a g i s ( p o w e r - e ff i c ie n t g a t h e r in g in s e n s o r i n f o r m a t i o n s y s t e m ) 14 q p e g a s i s由l e a c h发展而来。 它假定组成网 络的传感器节点是同构且静 止的。 节点发送能量递减的测试信号， 通过检测应答来确定离自己 最近的相邻节 点。 通过这种方式， 网 络中的所有节点能够了 解彼此的 位置关系， 进而每个节点 依据自己的位置选择所属的聚类， 聚类的首领参照位置关系优化出到 s i n k节点 的 最佳链路。 因为 p e g a s i s中 每个节点都以 最小功率发送数据分组， 并有条件 完成必要的数据融合， 减小业务流量。 因此， 整个网络的功耗较小。 研究结果表 明， p e g a s i s支持的传感器网络的生命周期是 l e a c h的近两倍。 p e g a s i s协 议的不足之处在于节点维护位置信息( 相当于传统网 络中的拓扑信息) 需要额外 西北工业人学硕士学位论文 的资源。 ( 4 ) 多层聚类算法2 4 1 多层聚类算法是 e s t r i n为传感器网络设计的一种新的聚类实现机制。工作 在网络中的传感器节点处于不同的层， 所处层次越高， 所覆盖面积就越大。 起初， 所有节点均在最低层， 通过竞争获得提升高层的机会。 新的工作周期开始时， 每 一 个节点都广播自己的 状态信息， 包括储备能量、 所在层次和首领的 i d ( 如果有) 等， 然后进入等待状态以便相互了解信息， 等待时间与所在层次成正比。处在最 低层的节点如果没有首领，等待状态结束后，立刻启动一个 “ 晋升定时器” ，定 时时间与自身能量以及接收到同层其他节点广播消息的数目 成反比， 目的是为能 量较高且在密集区的节点获得较多的提升机会。 一旦定时时间到， 节点升入高层， 将有发给自己广播消息的节点视为潜在的子节点， 并广播自己新的状态信息， 低 层节点选择响应这些准首领的广播消息， 最终确定惟一的通信关系， 选择了首领 的节点，自己的 “ 晋升定时器”将停止工作，也就意味着本轮放弃了晋升机会， 在每一个工作周期结束以 后，高层节点将视自 己的 状态信息( 如有无子节点，功 率是否充足) 决定是否让出 首领位置。 上述的多层聚类算法具有递归性， e s t r i n等 人用两层模型验证了它在传感器网络中的有效性。 2 . 4 . 2链路层 链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路， 主要由介质访问控 制( m a c ) 组成。就实现机制而言 ， m a c协议分 3类: 确定性分配、竞争占 用 和随 机 访问 【4 2 1 。 前 两者 不是传 感器网 络的 理 想选 择。 因 为t d m a固 定时隙的 发 送模式功耗过大， 为了节省功耗， 空闲状态应关闭发射机; 竞争占用方案需要实 时监测信道状态， 也不是一种合理的选择: 随机介质访问模式比较适合于无线传 感网络的节能要求。蜂窝电话网络、a d - h o c和蓝牙技术是当前主流的无线网络 技术， 但它们各自 的 m a c协议不适合无线传感器网络。 g s m 和 c d m a中的 介质访问 控制主要关心如何满足用户的 q o s要求和节省带宽资 源， 功耗是第二 位的;a d - h o c网络则考虑如何在节点具有高度移动性的环境中建立彼此间的链 接，同时兼顾一定的 q o s要求，功耗也不是其首要关心的;而蓝牙采用了主从 西北工业人学硕士学位论文 的资源。 ( 4 ) 多层聚类算法2 4 1 多层聚类算法是 e s t r i n为传感器网络设计的一种新的聚类实现机制。工作 在网络中的传感器节点处于不同的层， 所处层次越高， 所覆盖面积就越大。 起初， 所有节点均在最低层， 通过竞争获得提升高层的机会。 新的工作周期开始时， 每 一 个节点都广播自己的 状态信息， 包括储备能量、 所在层次和首领的 i d ( 如果有) 等， 然后进入等待状态以便相互了解信息， 等待时间与所在层次成正比。处在最 低层的节点如果没有首领，等待状态结束后，立刻启动一个 “ 晋升定时器” ，定 时时间与自身能量以及接收到同层其他节点广播消息的数目 成反比， 目的是为能 量较高且在密集区的节点获得较多的提升机会。 一旦定时时间到， 节点升入高层， 将有发给自己广播消息的节点视为潜在的子节点， 并广播自己新的状态信息， 低 层节点选择响应这些准首领的广播消息， 最终确定惟一的通信关系， 选择了首领 的节点，自己的 “ 晋升定时器”将停止工作，也就意味着本轮放弃了晋升机会， 在每一个工作周期结束以 后，高层节点将视自 己的 状态信息( 如有无子节点，功 率是否充足) 决定是否让出 首领位置。 上述的多层聚类算法具有递归性， e s t r i n等 人用两层模型验证了它在传感器网络中的有效性。 2 . 4 . 2链路层 链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路， 主要由介质访问控 制( m a c ) 组成。就实现机制而言 ， m a c协议分 3类: 确定性分配、竞争占 用 和随 机 访问 【4 2 1 。 前 两者 不是传 感器网 络的 理 想选 择。 因 为t d m a固 定时隙的 发 送模式功耗过大， 为了节省功耗， 空闲状态应关闭发射机; 竞争占用方案需要实 时监测信道状态， 也不是一种合理的选择: 随机介质访问模式比较适合于无线传 感网络的节能要求。蜂窝电话网络、a d - h o c和蓝牙技术是当前主流的无线网络 技术， 但它们各自 的 m a c协议不适合无线传感器网络。 g s m 和 c d m a中的 介质访问 控制主要关心如何满足用户的 q o s要求和节省带宽资 源， 功耗是第二 位的;a d - h o c网络则考虑如何在节点具有高度移动性的环境中建立彼此间的链 接，同时兼顾